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En vidéo : il y a 30 ans, on découvrait le boson W

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Par Laurent Sacco, Futura

Le 25 janvier 1983, le Cern annonçait que la découverte du boson W prédit par une théorie unifiée des forces électromagnétique et nucléaires faibles. C'est parce que le mécanisme de Brout-Englert-Higgs expliquait la masse de cette particule que la chasse au boson de Higgs a été lancée.

Lors d'une conférence de presse, le 25 janvier 1983, les physiciens du Cern annonçaient la découverte du boson W. On reconnaît, à gauche, et de gauche à droite, Carlo Rubbia et Simon van der Meer. © Cern

En 1967, Steven Weinberg et, peu de temps après, Abdus Salam, publient leur théorie unifiée des forces électromagnétique et nucléaire faible. C'est le fameux modèle électrofaible, qui reprend en partie les travaux de Sheldon Glashow. On le désigne souvent comme le modèle de Glashow-Salam-Weinberg (GSW).

Il utilise de façon essentielle le mécanisme Brout-Englert-Higgs. Basé sur l'existence du champ de Higgs, ce modèle permet de doter d'une masse les bosons intermédiaires W et Z impliqués par la théorie. Sans ce mécanisme, ces bosons, équivalents des photons du champ de Maxwell, qui véhiculent les forces électrofaibles entre les quarks et les leptons, seraient sans masse.


En 1982, au Cern, une équipe de physiciens, dirigée par l’Italien Carlo Rubbia, réalise une des plus extraordinaires expériences de la physique contemporaine. L'objectif est de prouver l'existence de deux nouvelles particules subatomiques, les bosons W et Z, et de confirmer ainsi la théorie électrofaible proposée dans les années 1960 par Abdus Salam, Shelton Glashow et Steven Weinberg. © Cern, BBC Open University, YouTube

Les bosons W, des bosons massifs et chargés

Dès 1973, au Cern, certaines prédictions du modèle GSW sont vérifiées, en l'occurrence les courants neutres. Glashow, Salam et Weinberg reçoivent alors le prix Nobel de physique en 1979 mais les bosons W et Z, prédictions fondamentales de leur théorie, ne sont pas encore découverts.

Le physicien Carlo Rubbia se fait fort peu de temps après, de découvrir ces bosons intermédiaires grâce à des collisions en accélérateur. Dès 1976, avec Peter McIntyre et David Cline, il propose de modifier dans ce but le plus grand accélérateur du Cern, le SPS, pour en faire un collisionneur à deux faisceaux, l'un de protons et l'autre d'antiprotons.

Une vue de l'impressionnant détecteur UA1. De 1982 à 1983, il a permis de prouver l'existence des bosons W et Z du modèle GSW. © Cern

Des collisions de protons et d'antiprotons

De cette façon, il devient possible d'atteindre les énergies nécessaires pour créer suffisamment de bosons W. Mais il faut commencer par résoudre le problème de la production de faisceaux intenses d'antiprotons. La contribution à la solution de ce problème par Simon van de Meer sera cruciale.

Une autre clé importante dans la découverte des bosons W et Z repose sur la construction de détecteurs géants, couplés à des ordinateurs. C'est une nécessité pour chercher, dans les feux d'artifice de particules produites par les collisions de faisceaux, de rares événements causés par l'apparition fugace et la désintégration extrêmement rapide des bosons électrofaibles instables.

Deux détecteurs représentant le sommet de la technologie de l'époque, c'est-à-dire de la fin des années 1970 et du début des années 1980, voient donc le jour : UA1, héritier de la chambre multifils de Georges Charpak, et un autre, baptisé UA2.


Un autre documentaire sur la découverte des bosons W, au Cern, au début des années 1980. Ces bosons sont massifs en raison de l'existence supposée du mécanisme de Brout-Englert-Higgs. Voici quelques-unes des clés pour comprendre comment s'est déroulée leur découverte. © Cern

L'indispensable détecteur de Georges Charpak

Le 20 janvier 1983, Carlo Rubbia annonce finalement au Cern l'observation par UA1 de six événements candidats au titre de boson W. Il est suivi de très peu par Luigi Di Lella, qui, l'après-midi suivante, rapporte l'observation de quatre événements candidats repérés grâce à l'UA2.

C'est finalement le 25 janvier 1983 qu'une conférence de presse révèle que Sheldon Glashow, Abdus Salam et Steven Weinberg avaient vu juste. L'année suivante, Carlo Rubbia et Simon van der Meer reçoivent le prix Nobel de physique pour leur contribution à la découverte des particules W et Z.

Récemment, un nouveau boson a été découvert au Cern, avec le LHC. Il s'agit probablement du boson de Higgs mais les doutes qui demeurent à son sujet devraient être levés cette année...

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